百花湖水體水質(zhì)參數(shù)時(shí)空變化分析與富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

楊家芳，孫小瓊

(貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引言

水體富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊、水庫(kù)以及緩慢流動(dòng)的河流等水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量而引起水體植物的大量生長(zhǎng)[1～7]。富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)引起水質(zhì)惡化，從而使湖泊生態(tài)功能和水功能遭受破壞。我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題引起關(guān)注始于1950年代。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)大量學(xué)者分別對(duì)東湖、巢湖、太湖、洞庭湖等湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化狀況開展了大量的研究，并取得許多成功的經(jīng)驗(yàn)[8，9]。目前對(duì)云貴高原地區(qū)湖泊水庫(kù)的研究落后于東部淺水湖泊。李娜等研究了全國(guó)范圍內(nèi)的湖泊結(jié)果表明：2010～2011年, 59.1%的調(diào)研湖泊處于不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，其中云貴湖區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化程度最為嚴(yán)重[10]。李秋華通過(guò)調(diào)查2014年12月至2015年1月份( 枯水期)，2015年7～8月份(豐水期)貴州省20座代表性的水庫(kù)水質(zhì)，對(duì)貴州高原水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化特征進(jìn)行評(píng)價(jià)；研究表明：貴州省內(nèi)貴陽(yáng)市水庫(kù)水質(zhì)最差，其次遵義市和安順市的水庫(kù)水質(zhì)也比較差，以黔南州和黔西南州水質(zhì)較好[11]。百花湖是重要的城市飲用水源地，2014年高廷進(jìn)等對(duì)2011年百花湖3個(gè)時(shí)期富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示百花湖水庫(kù)呈富營(yíng)養(yǎng)型，其中豐水期>枯水期>平水期[12]。趙夢(mèng)等采用修正后的卡爾森指數(shù)法計(jì)算2012～2016年百花湖表層水的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，得出百花湖 2012～2016 年皆屬中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)[13]。2021年賀康康等，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對(duì)2009～2018年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出百花湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)由輕度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹袪I(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，水質(zhì)整體向好[14]。以上學(xué)者對(duì)百花湖富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)較多以百花湖各采樣點(diǎn)水體富營(yíng)養(yǎng)化均值來(lái)描述百花湖富營(yíng)養(yǎng)水平，對(duì)各采樣點(diǎn)水體富營(yíng)養(yǎng)水平代表性不強(qiáng)。此外，百花湖屬云貴高原亞深水型水庫(kù)，具有獨(dú)特的地質(zhì)背景和生態(tài)環(huán)境特征，水體滯留時(shí)間長(zhǎng)，水動(dòng)力較弱，被污染后治理難度更大[15]。因此，研究選取貴陽(yáng)市主要飲用水源地百花湖作為研究對(duì)象，開展百花湖水體水質(zhì)參數(shù)的時(shí)空變化分析與多時(shí)段的水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)，對(duì)湖泊健康和區(qū)域居民飲用水安全具有重要的意義。

2 研究區(qū)概況

百花湖位于貴陽(yáng)西北郊，地處長(zhǎng)江上游烏江右岸一級(jí)支流貓?zhí)拥闹杏?，地理位置為E106° 27′～ 106° 34′，N26° 35′～ 26°42′。百花湖是人工建設(shè)的河道型深水水庫(kù)，于1966年竣工，是貴陽(yáng)市第二大人工湖。百花湖屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，為低中山丘陵地貌，兩岸多河谷臺(tái)地，緩丘坡地。平均海拔1200 m，年平均氣溫在15 ℃，年平均降雨量為1200 mm左右，5～9月份降水量占全年降水量的70%。湖中島嶼眾多，沿岸農(nóng)村居民點(diǎn)、農(nóng)家樂(lè)較多。據(jù)貴陽(yáng)市飲用水源地公報(bào)記載，2006年百花湖水質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅱ類水；2010年花橋段曾被評(píng)價(jià)為IV類或V類水[16]，目前水質(zhì)長(zhǎng)期評(píng)價(jià)為Ⅲ類水(圖1)。

圖1 研究區(qū)水系和采樣點(diǎn)分布(自繪)

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 水樣的采集與分析

水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)置采樣點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)采樣和分析化驗(yàn)獲得。根據(jù)百花湖水庫(kù)的特點(diǎn)，在研究區(qū)設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)；采樣點(diǎn)S1位于花橋，S2位于巖腳寨，S3位于麥西河，S4位于貴鋁泵房，S5位于大壩。選取葉綠素 a(Chl-a)、總磷 (TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、透明度(SD)等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查。依據(jù)中華人民共和國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》( GB3838-2002) 對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的規(guī)定，利用5 L有機(jī)玻璃采水器采集水深0.5 m處水樣，裝入500 mL潔凈聚乙烯瓶，采用改良的反復(fù)凍融、丙酮浸提測(cè)定葉綠素Chl-a；采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷；采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN；采用酸性高錳酸鉀氧化法測(cè)定CODMn；采用塞式盤法測(cè)定透明度。

3.2 水體富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)

目前，我國(guó)環(huán)保部門對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的基本方法主要有營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(如Carlson營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等)、營(yíng)養(yǎng)度指數(shù)法(AHP-PCA法)和評(píng)分法。研究采用王明翠等學(xué)者提出的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)(TLI)評(píng)價(jià)方法[3]。該方法目前被我國(guó)環(huán)保部門廣泛使用，主要通過(guò)選擇Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5項(xiàng)指標(biāo)作為富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)數(shù)值分級(jí)評(píng)價(jià)。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)：

(1)

式(1)中，TLI(∑)為綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為以chl-a為基準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算的第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重，其取值來(lái)源于我國(guó)26個(gè)典型湖泊(水庫(kù))調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的相關(guān)系數(shù)；TLI(j)為第j種參數(shù)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

Wj權(quán)重計(jì)算公式：

(2)

式(2)中:為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)，取值見(jiàn)表1;m為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表1 2017～2019年百花湖不同時(shí)期的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086ln(Chl-a)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.94ln(SD)

(4)

TLI(TP)=10(9.436+1.624ln(TP)

(5)

TLI(TN)=10(5.453+1.694ln(TN)

(6)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661ln(CODMn)

(7)

式(3)～式(7)中:Chl-a質(zhì)量濃度單位為mg/m3;SD單位為m;其他指標(biāo)單位均為mg/L。

根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用0～100的數(shù)字對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分成5級(jí): 貧營(yíng)養(yǎng)(0，30)，中營(yíng)養(yǎng)[30，50]，輕度富營(yíng)養(yǎng)(50，60]，中度富營(yíng)養(yǎng)(60，70]，重度富營(yíng)養(yǎng)(70，100)(表2)。

表2 中國(guó)湖泊(水庫(kù))部分參數(shù)與chl-a的相關(guān)關(guān)系rij及值

4 結(jié)果與分析

4.1 水質(zhì)參數(shù)的時(shí)空變化分析

研究根據(jù)2017～2019年百花湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，分析百花湖平水期、豐水期、枯水期3個(gè)時(shí)期Chl-a、TP、TN、CODMn、SD等5項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的時(shí)空變化情況；其中，水質(zhì)參數(shù)濃度取每個(gè)時(shí)期所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值。分析得出(圖2)：①百花湖水體水質(zhì)參數(shù)存在較大時(shí)空分異，葉綠素a、總氮和高錳酸鹽3個(gè)水質(zhì)參數(shù)濃度值浮動(dòng)較大，總磷和透明度2個(gè)水質(zhì)參數(shù)濃度值相對(duì)較平穩(wěn)；其中，葉綠素a整體上呈豐水期普遍高于其他時(shí)期、平水期次之，枯水期較低的特征，符合水體藻類生長(zhǎng)的客觀規(guī)律；總氮和高錳酸鹽總體上呈平水期較高，豐水期次之，枯水期較低的特征，這與農(nóng)作物生長(zhǎng)施肥、降雨等密切相關(guān)；②總體上，2017～2019年除透明度外的其他水質(zhì)參數(shù)濃度值在枯水期濃度較平水期和豐水期有所下降，但又存在個(gè)別差異(如2017年8月豐水期葉綠素a濃度處于較低水平)，這與湖泊生態(tài)環(huán)境本身具有復(fù)雜性和外源(降雨、湖庫(kù)人工泄洪)等影響因素的多樣性密切相關(guān)[17，18]。

圖2 百花湖不同時(shí)期水質(zhì)參數(shù)變化

4.2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)平水期、豐水期、枯水期百花湖多個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行分析，采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)百花湖富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1)。

結(jié)果顯示，2017～2019年期間，百花湖營(yíng)養(yǎng)水平為中營(yíng)養(yǎng)至中度富營(yíng)養(yǎng)之間?？傮w上呈以下特點(diǎn)：

(1)2017～2019年，百花湖水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)水平均值處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)至中度富營(yíng)養(yǎng)之間，年均值營(yíng)養(yǎng)水平整體呈緩慢增高后降低的趨勢(shì)，主要原因可能與國(guó)家及地區(qū)環(huán)保等相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)密切相關(guān)。如，2018年1月，貴州省河長(zhǎng)制辦公室印發(fā)《貴州省河長(zhǎng)巡河制度》。同年9月，貴州省副總河長(zhǎng)吳強(qiáng)簽署第1號(hào)總河長(zhǎng)令，在全省范圍內(nèi)開展亂占、亂采、亂堆、亂建等河湖管理保護(hù)突出問(wèn)題“清四亂”行動(dòng)等，促進(jìn)全省水生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。

(2)綜合富營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)數(shù)值分析，5個(gè)采樣點(diǎn)中，花橋營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)最差，2018年4月(平水期)達(dá)到最大(61.901)；已達(dá)到中度富營(yíng)養(yǎng)水平；巖腳寨和麥西河情況次之，貴鋁泵房和大壩情況較好，多呈中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)?？傮w而言，百花湖上游到下游水體富營(yíng)養(yǎng)化有降低趨勢(shì)，表明湖泊水體有一定的自凈能力。此外，在百花湖流域野外調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，一方面百花湖上游花橋段的富營(yíng)養(yǎng)化主要受支流東門橋河污染水體匯入的影響；另一方面，花橋段居民點(diǎn)較多，人類活動(dòng)強(qiáng)度大，生活污水基數(shù)大，但其水域面積小，水體自凈能力有限。巖腳寨段雖居民點(diǎn)較少，但其受上游花橋水體流入及其流域內(nèi)村寨小型生活污水處理廠運(yùn)行狀態(tài)不佳，存在生活污水、養(yǎng)殖污水和農(nóng)用地排水直接進(jìn)入湖庫(kù)的情況，其富營(yíng)養(yǎng)化水平在中營(yíng)養(yǎng)至輕度富營(yíng)養(yǎng)之間。

(3)百花水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)水平季節(jié)差異較大，整體上枯水期水質(zhì)好于平水期和豐水期，個(gè)別時(shí)期評(píng)價(jià)結(jié)果截然相反。出現(xiàn)這種差異的原因一方面是因?yàn)楹瓷鷳B(tài)環(huán)境本身具有復(fù)雜性；另一方面存在外源影響因素多樣性，如降雨、旅游、農(nóng)田施肥、水庫(kù)泄洪、采樣時(shí)間等。

5 討論與建議

(1)運(yùn)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)多時(shí)期湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)有利于環(huán)保部門盡早規(guī)劃部署以防范富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生、降低富營(yíng)養(yǎng)化造成的危害。但由于湖泊水庫(kù)自身的復(fù)雜性和外源影響的多樣性，相同區(qū)域不同時(shí)期的研究結(jié)果可能存在一定差異，故研究建議應(yīng)根據(jù)湖泊水庫(kù)自身特征進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間系列的綜合富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型的修正，實(shí)行的“一類一策”或“一湖一策”的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)估方法[19]。此外，應(yīng)加強(qiáng)野外調(diào)研，以找出造成富營(yíng)養(yǎng)的主要原因并用于印證評(píng)價(jià)結(jié)果。

(2)在文獻(xiàn)閱讀和百花湖野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，麥西河人為干擾強(qiáng)度次于花橋，其水體輕度污染[11,17]，上游、中游雖存在水體發(fā)臭、發(fā)黑的情況，由于下游到入湖口種植著多種水生植物，較大程度上有效截留了百花湖麥西河小流域水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽。因而，建議其他小流域加大治理力度，實(shí)施建設(shè)生態(tài)工程。即在城市建設(shè)的同時(shí)，提升城鎮(zhèn)生活污水和生活垃圾處理能力，岸邊或入湖口一定范圍內(nèi)建設(shè)緩沖帶，栽種水生植物等措施以降低水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，改善百花湖的水質(zhì)現(xiàn)狀，以減輕生活污水對(duì)百花湖水環(huán)境的影響。

(3)后續(xù)研究建議分別對(duì)降雨前后水樣進(jìn)行采樣化驗(yàn)分析，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果精度。結(jié)合遙感與GIS等手段，研究多時(shí)段的水質(zhì)與土地利用景觀類型的響應(yīng)關(guān)系，對(duì)于非完整性小流域，建議將上游水體中的污染衰減系數(shù)納入考量[20]，以便更好的調(diào)整土地用途和周邊土地的種植結(jié)構(gòu)，進(jìn)而減少富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生。